型钢延伸长度对SRC-RC竖向混合结构抗震性能影响

闫丽娟

(青岛理工大学琴岛学院土木工程系，青岛，266106)

框架柱是框架结构中非常重要的承重构件，建筑物在地震作用下是否发生破坏很大程度上取决于柱的设计，尤其在高层建筑中，底部柱承受的荷载较大，为了满足轴压比的要求，往往需要设计较大的柱截面尺寸，而这样一方面会使材料用量增加，造价较高；另一方面会减小建筑净面积。型钢混凝土(SRC)柱较钢筋混凝土(RC)柱具有较高的承载力，所以将SRC柱应用到框架结构底部楼层，可以有效减小柱截面尺寸，进而提高建筑物使用面积，同时SRC柱具有较好的变形能力，可以改善结构的抗震性能，防止结构在大震作用下倒塌[1-2]。

为了使高层建筑具有更好的经济性和安全性，可采用底部SRC柱、上部RC柱的SRC-RC竖向混合结构。SRC-RC竖向混合结构中过渡层柱的设计是保证建筑结构抗震安全的关键环节。我国的两部行业规程[3-4]中均采用整层过渡法[5]进行SRC柱到RC柱的转换，这种增加一层或二层的SRC柱的方法在增加成本的同时使梁柱节点施工变得复杂，而且还可能导致过渡层的上移，无法从根本上解决过渡层刚度和承载力突变的问题，此种过渡形式在日本阪神地震中破坏较为严重[2]。随着建筑科技的进步，更多的高层建筑开始采用中间过渡法即进行过渡层柱的设计，即将SRC柱中的型钢延伸到一定高度(此高度小于层高)形成SRCRC转换柱。目前，日本的此种结构多采用中间过渡法进行SRC柱到RC柱的转换。

本文针对中间过渡法中型钢延伸长度进行分析研究，运用PKPM软件对8组具有不同型钢延伸长度的SRC-RC竖向混合框架结构模型进行有限元分析及动力弹塑性时程分析，进而确定具有较好抗震性能的型钢延伸长度。

1 动力弹塑性时程分析

我国现行《建筑抗震设计规范》规定，对于竖向不规则的结构宜进行薄弱部位的弹塑性位移验算，而弹塑性时程分析是进行此位移验算的较好方法。弹塑性时程分析方法将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程，也称为弹塑性直接动力法。弹塑性动力分析包括以下几个步骤：(1)建立结构的几何模型并划分网格；(2)定义材料的本构关系，通过对各个构件指定相应的单元类型和材料类型确定结构的质量、刚度和阻尼矩阵；(3)输入适合本场地的地震波并定义模型的边界条件，开始计算；(4)计算完成后，对结果数据进行处理，对结构整体的可靠度做出评估。

2 不同型钢延伸长度的SRC-RC竖向混合结构模型建立

采用8个12层的SRC-RC竖向混合框架结构模型M4-1～M4-4、M5-1～M5-4进行计算分析，8个结构模型的底层层高均为3.9 m，其余层层高均为3.3 m，纵向和横向框架柱距均为6 m，过渡层位置均选在第5层。其中，模型M4-1～M4-4的型钢混凝土柱截面尺寸为800 mm×800 mm，内部型钢采用Ι50b，其含钢率为4.03%，框架主梁截面尺寸为250 mm×500 mm，梁内部型钢采用Ι36c，次梁截面尺寸为250 mm×400 mm，次梁内部型钢采用Ι 25b；模型M5-1～M5-4的型钢混凝土柱截面尺寸为800 mm×800 mm，内部型钢采用Ι56c，其含钢率为5.63%，框架主、次梁截面同M4-1～M4-4。

所有模型梁柱节点均为刚接，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，抗震设防烈度7度(0.1g)，基本风压0.6 kN/m2，抗震等级为一级。模型数据如表1所示，M4-2模型过渡层如图1所示。

表1 模型数据

图1 模型M4-2过渡层示意图

3 计算结果分析

为了得到不同型钢延伸长度下SRC-RC数竖向混合框架结构在多遇地震和罕遇地震作用下的反应，运用PKPM软件中的SATWE有限元分析模块和EPDA＆PUSH弹塑性分析模块对8个模型分别进行了计算分析。在对模型进行动力弹塑性时程分析时，对结构Y方向输入加速度值为220 cm/s2的10条地震波进行动力时程分析。

3.1 多遇地震作用下各模型的计算结果分析

运用SATWE有限元分析模块，采用振型分解反应谱法来计算多遇地震作用下的水平地震作用，其结果见表2。

表2 多遇地震作用下模型计算结果

对比分析发现，在相同含钢率的条件下，基底剪力随过渡层处型钢延伸长度的增加而增加，型钢延伸长度从0.3倍柱高增大到0.8倍柱高，基底剪力最大增加1.12 kN，增幅为0.064%；顶层最大位移基本无变化；第6层的层间位移随着型钢延伸长度的增加渐降低，最大差值为1.14 mm，说明型钢延伸长度越长，过渡层处的层间侧移越小。为了进一步确定在多遇地震作用下不同型钢延伸长度对结构过渡层处水平抗剪承载力的影响，需对过渡层处的剪力差值进行分析，具体结果见表3。

表3 过渡层处层间剪力差值(k N)

从表3可知，在含钢率为4.03%、型钢延伸长度从0.3倍柱高增加到0.8倍柱高时，第6层层间剪力与第5层层间剪力差值从104.16增加到115.92，增幅为11.29%；在含钢率为5.36%、型钢延伸长度从0.3倍柱高增加到0.8倍柱高时，第6层层间剪力与第5层层间剪力差值从104.82增加到116.8，增幅为11.43%，说明在相同含钢率下，过渡层相邻两层的层间剪力差值随着型钢延伸长度的在增加而增加，即型钢延伸长度的增加会加大过渡层处水平承载力的突变。

3.2 罕遇地震作用下各模型的计算结果分析

运用EPDA＆PUSH弹塑性分析软件对模型进行动力弹塑性时程分析时，对结构Y方向输入加速度值为220 cm/s2的10条地震波，分别进行了10组动力时程分析，经过对比分析，选出具有最大时程响应的剪力与位移，并运用静力弹塑性分析方法计算结构的位移延性系数，具体计算结果见表4。

表4 罕遇地震作用下模型计算结果

由表4可以看出，含钢率为4.03%、型钢延伸长度从0.3倍柱高增加到0.8倍柱高时，基底剪力减小54 kN，含钢率为5.36%、型钢延伸长度从0.3倍柱高增加到0.8倍柱高时，基底剪力减小27 kN，说明在罕遇地震作用下，随着型钢延伸长度的增加，结构的水平抗剪能力有所提高。

第6层的层间位移随着型钢延伸长度的增加而降低，最大差值为7.9 mm，减幅为4.43%，而位移延性系数[6]则随着型钢延伸长度的增加呈现先升高后降低的趋势，详细情况见图2。

图2 模型延性系数变化曲线

从图2可以看出，两种含钢率下模型的延性系数表现出相同的变化规律，均随着型钢延伸长度增加呈现先升后降的趋势，型钢延伸长度为0.6倍柱高时延性系数最大，延伸长度为0.8倍柱高时延性系数减小，说明型钢延伸长度取0.6倍柱高时结构在罕遇地震作用下的延性最好，具有较好的抗倒塌能力。

4 结论

(1)在多遇地震作用下，基底剪力随型钢延伸长度的增加而增加，过渡层处层间位移随型钢延伸长度的增加而减小，说明随着型钢延伸长度的增加，结构抵抗变形的能力随之提高。

(2)在罕遇地震作用下，基底剪力和过渡层处层间位移随型钢延伸长度的增加而减小，位移延性系数随型钢延伸长度的增加呈现先升后降的趋势，并且当型钢延伸长度为0.6倍柱高时，位移延性系数达到最大值，表明此时结构具有较好的抗倒塌能力，即0.6倍柱高为型钢较为合理的延伸长度。

(3)含钢率分别为4.03%和5.36%两种情况下，随着型钢延伸长度增加而引起的结构反应表现出较一致的变化规律。